التعريض للإشعاع

التعريض للإشعاع (بالإنگليزية: irradiation) هوتعريض مادة (أوكائن حي) لفيض من الأشعـة المـُـؤَيِـَّنـَة (ionized rays) بهدف تغيير خواصها. وتنجز عمليات التشعيع لأغراض متعددة منها: العلاج أوالتعقيم أوتحسين مواصفات المواد والبوليمرات أوإجراء تفاعلات. ويتم عادة بغرض إحداث تغيير بيولوجي أوكيميائي أوطبيعي معين. ويتألف الإشعاع من جسيمات ذات طاقة عالية، أوموجات كهرومغنطيسية (أنماط من القوة الكهربائية والقوة المغنطيسية ذات الصلة بها). وتضم الجسيمات ذات الطاقة العالية جسيمات ألفا، وإلكترونات ونيوترونات وجسيمات ناتجة من معجِّلات الجسيمات.

بدأت دراسات تأثير الأشعة المؤينة على المادة منذ اكتشاف الأشعة السينية والإشعاع النووي الناشط في نهاية القرن التاسع عشر، ولكن لم تنتشر تطبيقات التشعيع حتى النصف الثاني من القرن العشرين بعد تطوير المفاعلات النووية ومسرعات الجسيمات وتراكم كمية كبيرة من المنابع الإشعاعية.

تضم الأشعة المُؤَيِّنَة جسيمات الطاقة (إلكترونات، بروتونات، جسيمات ألفا، نترونات، أيونات مسرعة) والأشعة الكهرمغناطيسية عالية الطاقة (مثل أشعة گاما) التي تملك جميعها طاقة أكبر بكثير من كمونات التأين (ionization potential) للعناصر الكيميائية. تتفاعل هذه الأشعة مع المادة بآليات مختلفة ترتبط بطبيعة الإشعاع وطاقته وطبيعة المادة وحالتها مسببة تغيرات في المتحولات الفيزيائية وفي الحالة (طاقة، مناحٍ..) وفي ذرات المادة وجزيئاتها محرضة تفاعلات كيميائية أوتفاعلات نووية...، لا يمكن تحقيقها في الشروط العادية، ومن ثم تسبب تغيرات في الخواص الكيميائية للمادة، إضافة إلى تغير الخواص الفيزيائية والميكانيكية الناتجة عن التأثيرات المباشرة أوغير المباشرة للإشعاع.

التأثير

وعندما تخترق الجسيمات ذات الطاقة العالية أوالأشعة المادة؛ فإنها تؤينها. وتتّحد الذرّات الناتجة المشحونة بالكهرباء، أوالأيونات، لتشكِّل مركبات كيميائية جديدة، أوأبنية جزيئية متحولة. مثال ذلك تنتج المركبات المعقدة مثل الإيثان والبروبان، من غاز الميثان البسيط؛ بتعريضه لإلكترونات عالية الطاقة أولأشعة جاما. ويمكن حتى يؤدي تعريض الخلايا الحية للإشعاع الأيوني إلى تعطيل نشاطها الكيميائي وقتلها. ولتعريض المواد للإشعاع تطبيقات عملية كثيرة، حيث يمكن استعمالها في إعداد مواد كيميائية صناعية، وفي علاج بعض الأصباغ التي يمكن حتى تفسد بالمعالجة الحرارية العادية. وتعريض المواد للأشعة ذوفعالية في اغتال البكتيريا؛ ومن ثم فإنه يستعمل في حفظ الأطعمة، وفي تعقيم المعدات الجراحية. ويمكن تدمير الخلايا السرطانية بالتعريض المتحكم فيه للإشعاع؛ ومع ذلك فمن الممكن حتى يؤدي التعرض المفرط للإشعاع إلى الإصابة بضرر بيولوجي جسيم؛ بل وإلى الوفاة. كذلك يمكن حتى تنقل المورثات المصابة عن طريق الإشعاع آثارًا غير مرغوب فيها إلى الذُّرِّيَّة.

الجرعة الإشعاعية والمردود الإشعاعي

1ـ الجرعة الإشعاعية: تعتمد التأثيرات الإشعاعية على هجريب المادة وحالتها وعلى الطاقة الإشعاعية الممنوحة لها، وتعتمد الطاقة الممنوحة والممتصة أيضاً على نوع الإشعاع وطاقته، لذلك تصنف الأشعة إلى نوعين هما:

ـ الأشعـة المـُـؤَيِـَّنـَة بشكل مباشر، وتضم الجسيمات المشحونـة كلها (إلكترون، بروتون، ألفا.....)

ـ الأشعـة المـُـؤَيِـَّنـَة بشكـل غير مباشر، وتضم الأشعـة الكهرمغنطيسيـة (الأشعة السينية، أشعة گاما) التي تعامل معاملة الفوتونات والنترونات.

تدعى كمية الطاقة الإشعاعية الممتصة في وحدة الكتلة من المادة المشععة «الجرعة الإشعاعية» الممتصة وتقدر بوحدة الگراي (1Gy=1Jkg-1 ) Gray وهناك وحدة قديمة تدعى الراد (1Rad=100ergg- 1)Rad، ويكون 1 گراي =100 راد.

تتوزع طاقة الجسيمات المشحونة على طول مسار الجسيم (أثر track) مؤدية إلى إثارة الذرات والجزيئات المجاورة وتأيينها، ويدعى فقد الطاقة في وحدة طول المسار المجتاز في الوسط مقدرة الإيقاف (stopping power) التي تتعلق بالأشعة وبطبيعة المادة، وهي تختلف عن الطاقة الممتصة عملياً في المادة بما تخسره الإشعاعات بأشكال أخرى غير الامتصاص. أما عندما يمتص فوتـون طاقتـه E يصرف جزءاً من هـذه الطاقـة في التأيين وجزءاً علـى شكـل طاقـة حركيـة للأيونات المتولدة. لكن تظل مسافة اختراق الفوتونات في المادة أكبر بكثير من مسافة اختراق الجسيمات المشحونة (المسار أطول)، ومن ثم تكون كثافة الشحنة أقل بكثير. ويدخل معامل توهين الأشعة الكهرمغنطيسية m في العلاقة I=I0e-µx التي تعطي شدة الأشعة بعد عبورها مادة ثخانتها x بدلالة شدة الأشعة الواردة I0.

2ـ المردود الإشعاعي: تظهر التأثيرات الكيميائية للإشعاع بأشكال عدة مثل التفكك أوإنتاج مركبات جديدة أوأكسدة أوإرجاع أوهدرجة أوبلمرة أوغيرها، وللتعبير عن هذه التغيرات يدخل مفهوم حديث هوالمردود الإشعاعي أوما يعهد بقيمة (G-Value) G- ويعهد بأنه عدد الجزيئات (أيونات أوجذور حرة أوذرات....) المتفككة أوالمتشكلة في جملة ما نتيجة امتصاص طاقة إشعاعية مقدارها 100 إلكترون فولت. وقد تتأثر قيمة G- بمقدار الجرعة وبفترة التشعيع. لذلك تحدد قيمة G بالقياسات الكيميائية المعروفة في طرق التحليل الكيميائي شريطة حتىقد يكون التغير المقيس مستقلاً عن معدل الجرعة.

المراحل الرئيسية في أثناء التشعيع

تبدأ عملية التشعيع بامتصاص الطاقة الإشعاعية، وتنتهي عندما تتوازن الجملة ترموديناميكياً ويحصل بين هاتين العمليتين عدد من العمليات المتعاقبة والمتواقتة، توزع في ثلاث مراحل أساسية هي:

ـ المرحلـة الفيزيائيـة (فترة امتصاص الطاقة الإشعاعية في المادة).

ـ الفترة الفيزيائية الكيميائية (فترة انتنطق الطاقة بين النواتج الوسطية).

ـ الفترة الكيميائية (فترة إعادة التوازن الكيميائي).

ويبقى هناك تداخل بين هذه المراحل من ناحيتي الزمن والعمليات الجارية.

1ـ الفترة الفيزيائية: تبدأ هذه الفترة بامتصاص الطاقة الإشعاعية وتستمر نحو10-14 ثانية. تتوزع طاقة الإشعاع الممتصة أثناء تفاعل الإشعاع مع إلكترونات المادة بين عدد من مكونات الوسط، وتقوم الإلكترونات الثانويـة (أشعـة دلتا) بتأيين وإثـارة جزيئات وذرات الوسط بجـوار مسار الإشعاع، وتكون الكثافة الأيونية المتولدة متناسبة طرداً مع مربع شحنة الجسيم ومع كتلته وبالنسبة لنفس نوع الأشعة تكون متناسبة عكساً مع طاقة الإشعاع. ويمكن أيضاً حتى تتحول في هذه الفترة بعض الجزيئات المثارة إلى أيونات أوجذور حرة.

2ـ الفترة الفيزيائية الكيميائية: تحتوي الجملة المشععة عند نهاية الفترة الفيزيائية على أيونات وإلكترونات وجزيئات مثارة نتيجة العمل المباشر للإشعاع بالإضافة إلى بعض الجذور الحرة نتيجة الإنتشار السريع للطاقة. تبدأ الفترة الفيزيائية الكيميائية بانتشار هذه الأنواع طاقياً إذ تفقد طاقتها الحركية خلال سلسلة من التصادمات مع الجزيئات والذرات المحيطة، ويحصل في نهاية هذه الفترة التي تدوم نحو10-12 ثانية (وقد تصل إلى 10-9 ثانية)، إعادة توزع طاقة التوازن على درجات الحرية الانتنطقية، تترافق عملية التوازن الحراري بتحولات قد تغير الشحنة والحالة الكيميائية للأنواع المتشكلة. تجري في هذه الفترة أيضاً عمليات إعادة ضم إلكترون إلى أيون لتوليد جزيء مثار، وتتأثر هذه العمليات أيضاً بزمن الاسترخاء ومعاملات الانتشار وخواص المادة الأخرى. وقد تعود بعض الجزيئات المثارة بإصدار فوتونات (تألق) وخاصة بعمليات فلورة.

3ـ الفترة الكيميائية: عند نهاية الفترة الفيزيائية الكيميائية تكون جميع المكونات قد وصلت إلى فترة التوازن الحراري، ولكن الجملة تكون غير محققة للتوازن الترموديناميكي الكامل، وتضم هذه الفترة العمليات الجارية بعد الوصول إلى التوازن الحراري حتى نهاية التفاعلات الكيميائية، وتمتد عموماً من نحو10-10 ثانية إلى بضع دقائق (وقد تمتد إلى أكثر من ذلك في بعض الحالات). تتفاعل في هذه الفترة المكونات الوسط المتولدة عن انتشار الطاقة مع بعضها ومع جزيئات الوسط لتشكيل مركبات كيميائية مستقرة. تختلف التفاعلات الكيميائية الإشعاعية عن التفاعلات الكيميائية الحرارية أوالضوئية بوجود تنوع كبير في المركبات الوسطية المتشكلة خلال المرحلتين الفيزيائية والفيزيائية الكيميائية التي يبقى جزء يسيرٌ منها نشطاً خلال الفترة الكيميائية مما يؤدي إلى تشكل النواتج النهائية عن طريق عمليات تنافسية معقدة. وكذلكقد يكون التوزع الموضعي للمكونات الوسطية المتشكلة عن تأثير الإشعاع المؤين غير متجانس على المستوى الميكروي في الجملة مما يجعل من الصعب وضع آليات محددة للتفاعلات الجارية، وتكون عمليات الفترة الكيميائية عادة سريعة، إذ يعاد التوازن الكيميائي للجملة في جزء صغير من الثانية، ولكن قد تحدث بعض التفاعلات البطيئة والتي قد تمتد ساعات أوحتى أشهر مثل تفاعل الجذور الحرة الملتقطة في الجمل الصلبة أوتفكك الماء الأكسجيني المتشكل عن تشعيع المحاليل المائية.

تشعيع الجمل الصلبة

تختلف التأثيرات الإشعاعية في الجمل الصلبة عنها في الموائع لأن حركة مكونات الجملة عادة تكون محصورة ومقيدة وقد تكون بعض مكوناتها كالإلكترونات في المعادن، محصورة ضمن حجم العينة فقط. تتولد في الجمل البلورية العيوب البلورية البنيوية حيث تؤدي الذرات والجزيئات التي يختل توازنها إلى زحزحة ذرات وجزيئات أخرى من مواقعها مولدة عناقيد من العيوب، كذلك ترتفع درجة الحرارة على مسار الجسيمات المشحونة إلى عدة آلاف درجة مئوية مدة تصل إلى 10-11 ثانية مؤدية إلى تشكل أطوار شبه مستقرة. أما في الأوساط الجزيئية فقد تكون الحالات المثارة تفككية مؤدية إلى تشكل جذور حرة نشطة تدخل بتفاعلات مع المكونات المجاورة، كذلك تدخل الأيونات المتولدة بتفاعلات متعددة قبل حصول عملية التعادل. قد تؤدي هذه التفاعلات إلى تشظيات جديدة أوتتفاعل الأيونات مع جزيئات مجاورة بآليات تفاعل أيون ـ جزيء.

يمكن حتى تظهر آثار التشعيع على شكل:

ـ تغير في الخواص الميكانيكية الساكنة مثل المرونة والقساوة.

ـ وتغير في الخواص الميكانيكية الديناميكية مثل الاحتكاك الداخلي والإجهاد.

ـ وتغير في خواص النقل مثل الموصليـة الحراريـة والممانعـة الكهربائية.

1ـ تشعيع المعادن وخلائطها: لا يؤدي تشعيع المعادن بأشعة گاما أوبالإلكترونات إلى تأثيرات مهمة على خواص المعدن عدا حدوث تغيرات طفيفة في درجة حرارة المعدن. أما التشعيع بالجسيمات الثقيلة فيؤدي إلى خلق تشوهات وعيوب نتيجة التصادم مع الذرات التي تزاح من مواقعها. مثلاً يصبح الفولاذ المقاوم للصدأ هشاً نتيجة تشكل فقاعات ميكروية من الهليوم عند التشعيع بجسيمات ألفا أونتيجة الشوائب الناتجة عن التفاعل مع النترونات. قد تعود الذرات المزاحة إلى وضعها الأصلي من خلال عمليات انتشار قد تتطلب عندئذ طاقة تنشيط لتحريرها، وتقدم مثل هذه الطاقة بعملية تحمية (annealing) بواسطة التسخين أوالتشعيع بأشعة گاما أوبالإلكترونات.

2ـ تشعيع العوازل وأنصاف النواقل: يؤدي تشعيع العوازل بالجسيمات المشحونة الثقيلة إلى تغيرات بعدية مماثلة لحالة المعادن مثلاً حجم الجرافيت نحو6٪ وتتناقص الناقلية الحرارية إلى عشر قيمتها الأصلية. هذا وتزداد الناقلية الكهربائية في العوازل المشععة نتيجة انتنطق الإلكترونات إلى عصابة النقل بعامل يصل إلى 1000-100 مرة وتتناقص الناقلية بعد انتهاء التشعيع إلى حتى تصل إلى قيمة قريبة من القيمة الأصلية. ويمكن عند التشعيع بجرعات عالية تحول نصف ناقل من النوع n- إلى نوع p- نتيجة توليد عدد كبير من الثقوب (Ge نوع n-) أوتحول نصف ناقل من النوع p- إلى نوع -n نتيجة توليد مراكز مانحة للإلكترونات (InSb نوع p-).

وقد تؤدي عمليات [[التأين]ي الناتجة عن الإشعاع إلى تغير في الشحنة الموضعية فتشكل سويات إلكترونية جديدة ذات عصابات امتصاص في المجالين المرئي وفوق البنفسجي، أوما يسمى بمراكز اللون (colour centers)، وتدعى الإثارات الإلكترونية الملتقطة في فراغات أنيونية المراكز F- وتلك الملتقطة في فراغات كاتيونية المراكز -V ويعتمد طول الموجة الممتص في هذه المراكز على طبيعة جميع من الكاتيون والأنيون في المركب، مثلاً يؤدي تشعيع كلور الصوديوم إلى لون بني وكلور البوتاسيوم إلى لون أزرق وكلور الليثيوم إلى لون أصفر وبروم الليثيوم إلى لون أحمر. بعد حتى كانت جميعها شفافة. وقد يؤدي التشعيع إلى تحولات كيميائية إذ تخضع المركبات الحاوية على أنيونات أوكسجينية إلى تحلل إشعاعي ويتحرر الأكسجين الذي يلتقط في البلورات ويجعلها غير نفوذة للضوء. ويسبب تشعيع أملاح الهاليدات وفوق الهاليدات (مثل -104) إلى تشكل أنواع مختلفة مثل الأوكسجين والهالوجين كما تحصل في الكثير من المركبات اللاعضوية تفاعلات أكسدة وإرجاع نتيجة عمل الإشعاع.

3ـ تشعيع المركبات العضوية: تتحلل المكونات العضوية عند تشعيعها بآليات تتعلق بطبيعة الروابط والزمر المتضمنة فيها، فتحصل تفاعلات متباينة عند تشعيع المواد العضوية الصلبة أوالسائلة أوالمحاليل العضوية غير حتى تشعيع المواد العضوية الصلبة يتميز من المواد السائلة بأن الكثافة العالية للوسط تؤدي إلى عملية الاستقرار عن طريق الارتباط مع المكونات المجاورة أكثر من التفكك كماقد يكون مسار الأشعة أقصر ومن ثم تكون كثافة الشحنة أكبر. تكون النواتج الناجمة عن تشعيع المركبات العضوية الصلبة مزيجاً من نواتج تفككها ومركبات أضخم من جزيئاتها ناتجة عن ضم المكونات وعن البلمرة. تحصل أيضاً تفاعلات بين سلاسل البوليمرات إذ يمكن بتر الروابط بينها مؤديـاً إلى جزيئات أصغر أوما يسمى بتدني البوليمر (degradation) أوقد يحصل ارتبـاط السلاسل المجاورة مع بعضها ويدعـى ذلك بالتشابك (cross-linking).

4 ـ تشعيع الموائع أ ـ الغازات: إذا انتشار نواتج التشعيع الوسطية أسرع بكثير في الموائع منه في الأجسام الصلبة، وبالتحديد في الأوساط الغازية مما يؤدي إلى تأثير أقل لنوع الإشعاع ولنقل الطاقة الخطي على المردود الإشعاعي.قد يكون امتصاص أشعة غاما في الغازات منخفضاً نتيجة كثافتها المنخفضة لذلك يفهم تشعيع الغازات بإستعمال جسيمات ألفا أوالبروتونات. ويصرف نحو40-60٪ من الطاقة الممتصة على تأين الغاز. يؤدي تشعيع غاز وحيد العنصر إلى تشكل أيونات وجذور حرة تتفاعل لتعيد تشكيل جزيئات الغاز الأصلي إلا بعض التغيرات مثل تحول بارا ـ هيدروجين إلى أورثوـ هدروجين عند تشعيع غاز الهيدروجين أوتشكل الأوزون عند تشعيع الأوكسجين، أما عند تشعيع مزيج من أكثر من غاز فقد تتفاعل الأنواع الوسطية المتولدة عن التشعيع لتوليد مركبات مثل ${\displaystyle H_{2 O_{2$

ب ـ السوائل: ـ الماء والمحاليل المائية: يولد تشعيع الماء النقي عدداً من الجذور الحرة مثل ${\displaystyle H$

ـ المحاليل اللامائية (العضوية): يختلف التحلل الإشعاعي (radiolysis) للمحاليل العضوية عن المحاليل المائية بسبب التحولات الكبيرة التي تخضع لها أثناء التشعيع وتباين السماحية حيث يؤدي ازدياد السماحية إلى هروب الإلكترونات من التفاعل في حين يؤدي انخفاضه إلى ضم الإلكترونات إلى الكاتيونات المتولدة عن التشعيع وتوليد مقدار من الجزيئات المثارة وأكبر من المقدار الناتج عن التشعيع المباشر. ويمكن للجذور الحرة حتى تدخل في تفاعلات تنافسية أكبر عدداً مما يصادف في المحاليل المائية وأيضاً في تفاعلات تسلسلية تؤدي إلى تشكيل البوليمرات (polymers) ويكون احتمال تفاعلها مع بعضها صغيراً بسبب انخفاض هجريزها.

التطبيقات

اقتحمت تقانات التشعيع مجالات عديدة في العقود الخمسة الأخيرة وهجرزت بشكل رئيسي على استعمال أشعة غاما الصادرة عن نظير الكوبالت - 60 والحزم الإلكترونية المتولدة عن المسرعات الإلكترونية. بالإضافة إلى مجال تشعيع الأغذية[ر]، تقع أكثر هذه التطبيقات في مجال تعقيم (sterilization) المنتجات الطبية والأدوات الجراحية (سيرنجات، إبر، ضمادات قثاطر، عبوات دوائية) التي يتعذر تعقيمها حرارياً أوكيميائياً، إذ يتسبب تعريض المتعضيات الحية (جراثيم وفطور) إلى جرعات عالية في قتلها، ونستعمل عادة جرعات بحدود 25 كيلوغراي لتعقيم معظم المواد الطبية. يستعمل أيضاً التشعيع في مجال البوليمرات على نطاق واسع ولأغراض متعددة مثل إحداث عمليات البلمرة في شروط عادية من الضغوط ودرجات الحرارة دون استعمال الحفازات وتحسين مواصفات البوليمرات الحرارية والكهربائية والميكانيكية بإحداث عملية التشابك بين السلاسل البوليميرية المتجاورة إذ تزيد من قدرة البوليمر على العزل ومتانته وتحسين خواص الانكماش الحراري (heat-shrinkable). وتستعمل الأشعة أيضاً في عملية تدني البوليمرات للحصول على بوليمرات ذات أوزان جزيئية منخفضة وفي تطعيم البوليمرات (grafting) وفي إنضاجها (curing) إذ تجري عملية تصالب أثناء البلمرة الإشعاعية ولاسيما في طلاء السطوح الناعمة. ويستعمل التشعيع في الإصطناع الكيميائي، إذ يمكن اصطناع مركبات وفق تفاعلات لا تتحقق في الشروط العادية مثل اصطناع بروم الايتيل بتشعيع مزيج من غاز الايتيلين وبروم الهدروجين وفي معالجة مياه النفايات الكيميائية وغازات العادم الصناعية. عند تشعيع غازات حاوية على أكاسيد النتروجين أوثاني أكسيد الكبريت بوجود بخار الماء تتشكل جزيئات حمض الآزوت ${\displaystyle HNO_{3$